RNAs are pivotal molecules acting as messengers of genetic information and regulatory molecules for cellular development and survival. From birth to death, RNAs face constant cellular decision for the precise control of cellular function and activity. Most eukaryotic cells employ conserved machineries for RNA decay including RNA silencing and RNA quality control (RQC). In plants, RQC monitors endogenous RNAs and degrades aberrant and dysfunctional species, whereas RNA silencing promotes RNA degradation to repress the expression of selected endogenous RNAs or exogenous RNA derived from transgenes and virus. Interestingly, emerging evidences have indicated that RQC and RNA silencing interact with each by sharing target RNAs and regulatory components. Such interaction should be tightly organized for proper cellular survival. However, it is still elusive that how each machinery specifically recognizes target RNAs. In this review, we summarize recent advances on RNA silencing and RQC pathway and discuss potential mechanisms underlying the interaction between the two machineries.
RNA silencing has had a large impact on biology in general, as well as on our understanding of plant-pathogen interactions, especially interactions between plants and viruses. While most of what we know about the mechanism of RNA silencing was deduced in the last 12 years, many of the interactions between plants and viruses, as well as virus-virus interactions in plants, which we now know are manifestations of RNA silencing, were the subject of decades of work from numerous laboratories. These laboratories were examining the nature and extent of phenomena such as recovery from infection, the formation of dark green islands resistant to re-infection, synergy between unrelated viruses and cross-protection between related viruses, all first described in the late 1920s. In this review, the relationships between these phenomena and their place in the defense mechanism we call RNA silencing will be described, to show how they are all linked.
The discovery of RNA silencing inhibition by virus encoded suppressors or low temperature leads to concerns about the stability of transgenic resistance. RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) has been previously characterized to be essential for transgene-mediated RNA silencing. Here we showed that low temperature led to the inhibition of RNA silencing, the loss of viral resistance and the reduced expression of host RdRp homolog (NtRdRP1) in transgenic T4 progeny with untranslatable potato virus Y coat protein (PVY-CP) gene. Moreover, RNA silencing and the associated resistance were differently inhibited by potato virus X (PVX) and tobacco mosaic virus (TMV) infections. The increased expression of NtRdRP1 in both PVX and TMV infected plants indicated its general role in response to viral pathogens. Collectively, we propose that biotic and abiotic stress factors affect RNA silencing-mediated resistance in transgenic tobacco plants and that their effects target different steps of RNA silencing.
Chemically synthesized small interfering RNAs (siRNAs) can specifically knock-down expression of target genes via RNA interference (RNAi) pathway. To date, the length of synthetic siRNA duplex has been strictly maintained less than 30 bp, because an early study suggested that double-stranded RNAs (dsRNAs) longer than 30 bp could not trigger specific gene silencing due to the induction of non-specific antiviral interferon responses. Contrary to the current belief, here we show that synthetic dsRNA as long as 38 bp can result in specific target gene silencing without non-specific antiviral responses. Using this longer duplex structure, we have generated dsRNAs, which can simultaneously knock-down expression of two target genes (termed as dual-target siRNAs or dsiRNAs). Our results thus demonstrate the structural flexibility of gene silencing siRNAs, and provide a starting point to construct multifunctional RNA structures. The dsiRNAs could be utilized to develop a novel therapeutic gene silencing strategy against diseases with multiple gene alternations such as viral infection and cancer.
Song, Jun;Giang, An;Lu, Yingchun;Pang, Shen;Chiu, Robert
BMB Reports
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v.41
no.5
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pp.358-362
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2008
RNA interference (RNAi) is the process of sequence-specific gene silencing. However, RNAi efficiency still needs to be improved for effective inhibition of target genes. We have developed an effective strategy to express multiple shRNAs (small hairpin RNA) simultaneously using multiple RNA Polymerase III (Pol III) promoters in a single vector. Our data demonstrate that multiple shRNAs expressed from Pol III promoters have a synergistic effect in repressing the target gene. Silencing of endogenous cyclophilin A (CypA) or key HIV viral genes by multiple shRNAs results in significant inhibition of the target gene.
Homology-specific transcriptional and post-transcriptional silencing, an intrinsic mechanism of gene regulation in most eukaryotes, can be induced by anti-sense, co-suppression, or hairpin-based double-stranded RNA. Hairpin-based RNA interference (RNAi) has been applied to analyze gene function and genetically modify crops. However, RNAi vector construction usually requires high-cost cloning steps and large amounts of time, or involves methods that are protected by intellectual property rights. We describe a more effective method for generating intron-spliced RNAi constructs. To produce intron-spliced hairpin RNA, an RNAi cassette was ligated with the first intron and splicing sequences of the Brassica rapa ssp. pekinensis histone deacetylase 1 gene. This method requires a single ligation of the PCR-amplified target gene to SpeI-NcoI and SacI-BglII enzyme sites to create a gene-specific silencing construct. We named the resulting binary vector system pKHi and verified its functionality by constructing a vector to silence DIHYDROFLAVONOL 4-REDUCTASE (DFR), transforming it into tobacco plants, and confirming DFR gene-silencing via PCR, RT-qPCR, and analysis of the accumulation of small interfering RNAs. Reduction of anthocyanin biosynthesis was also confirmed by analyzing flower color of the transgenic tobacco plants. This study demonstrates that small interfering RNAs generated through the pKHi vector system can efficiently silence target genes and could be used in developing genetically modified crops.
Antisense RNA molecules are powerful tools for controlling the expression of specific genes but their use in prokaryotes has been limited by their unpredictable antisense effectiveness. Moreover, appreciation of the molecular mechanisms associated with silencing in bacteria is still restricted. Here we report our attempts to define an effective antisense strategy in E. coli, and to dissect the observed silencing process. Antisense constructs complementary to different regions of lacZ were investigated, and silencing was observed exclusively upon expression of antisense RNA hybridising the 5'UTR of lac messenger. The level of lacZ mRNA was reduced upon expression of this antisense construct, and the silencing competence was found to be closely associated with its stability. These observations may help in the design of antisense molecules directed against prokaryotic genes.
We developed a reassortant RNA virus vector derived from $Cucumber$$mosaic$$virus$ (CMV), which has advantages of very wide host range and can efficiently induce gene silencing in a few model plants. Certain CMV isolates, however, show limited host ranges presumably because they naturally co-evolved with their own hosts. We used a reassortant comprised of two strains of CMV, Y-CMV and Gn-CMV, to broaden the host range and to develop a virus vector for virus-induced gene silencing (VIGS). Gn-CMV could infect chili pepper and tomato more efficiently than Y-CMV. Gn-CMV RNA1, 3 and Y-CMV RNA2-A1 vector were newly reconstructed, and the transcript mixture of RNA1 and 3 genomes of Gn-CMV and RNA2 genome of Y-CMV RNA2 containing portions of the endogenous phytoene desaturase (PDS) gene (CMV2A1::PDSs) was inoculated onto chili pepper (cv. Chung-yang), tomato (cvs. Bloody butcher, Tigerella, Silvery fir tree, and Czech bush) and $Nicotiana$$benthamiana$. All the tested plants infected by the reassortant CMV vector showed typical photo-bleaching phenotypes and reduced expression levels of $PDS$ mRNA. These results suggest that the reassortant CMV vector would be a useful tool for the rapid induction of the RNA silencing of endogenous genes in chili pepper and tomato plants.
Soybean plants infected with Bean pod mottle virus (BPMV) develop acute symptoms that usually decrease in severity over time. In other plant-virus interactions, this type of symptom recovery has been associated with degradation of viral RNAs by RNA silencing, which is accompanied by the accumulation of virus-derived small interfering RNAs (siRNAs). In this study, changes in the accumulation of BPMV siRNAs were investigated in soybean plants infected with BPMV alone, or infected with both BPMV and Soybean mosaic virus (SMV) and in transgenic soybean plants expressing SMV helper component-protease (HC-Pro). In many potyviruses, HC-Pro is a potent suppressor of RNA silencing. In plants infected with BPMV alone, accumulation of siRNAs was positively correlated with symptom severity and accumulation of BPMV genomic RNAs. Plants infected with both BPMV and SMV and BPMV-infected transgenic soybean plants expressing SMV HC-Pro exhibited severe symptoms characteristic of BPMVSMV synergism, and showed enhanced accumulation of BPMV RNAs and siRNAs compared to plants infected with BPMV alone and nontransgenic plants. Likewise, SMV HC-Pro enhanced the accumulation of siRNAs produced from a silenced green fluorescent protein gene in transient expression assays, while the P19 silencing suppressor of Tomato bushy stunt virus did not. Consistent with the modes of action of HC-Pro in other systems, which have shown that HC-Pro suppresses RNA silencing by preventing the unwinding of duplex siRNAs and inhibiting siRNA methylation, these studies showed that SMV HC-Pro interfered with the activities of RNA-induced silencing complexes, but not the activities of Dicer-like enzymes in antiviral defenses.
Inducible and reversible gene silencing in desired types of cells is instrumental for deciphering gene functions using cultured cells or in vivo models. However, efficient conditional gene knockdown systems remain to be established. Here, we report the generation of an inducible expression system for short hairpin RNA (shRNA) targeted to PTEN, a well-documented dual-specificity phosphatase involved in tumor suppression and ontogenesis. Upon induction by doxycycline (DOX), the reverse tetracycline transcriptional activator (rtTA) switched on the concomitant expression of GFP and a miR-30 precursor, the subsequent processing of which released the embedded PTEN-targeted shRNA. The efficacy and reversibility of PTEN knockdown by this construct was validated in normal and neoplastic cells, in which PTEN deficiency resulted in accelerated cell proliferation, suppressed apoptosis, and increased invasiveness. Transgenic mice harboring the conditional shRNA-expression cassette were obtained; GFP expression and concurrent PTEN silencing were observed upon ectopic expression of rtTA and induction with Dox. Therefore, this study provides novel tools for the precise dissection of PTEN functions and the generation of PTEN loss of function models in specific subsets of cells during carcinogenesis and ontogenesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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